重大意義！中科院團隊首揭“核徑跡”受離子轟擊縮小全過程

作為巖石年齡測定和熱歷史分析的重要方法，“裂變徑跡定年法”利用核物理中的“裂變”產生的“核徑跡”定年，自上世紀60年代中期被引入地質、地球化學領域以來，相關研究備受關注。

記者29日從中國科學院青藏高原研究所獲悉，該所新生代環境團隊李偉星研究員等與合作者通過巧妙設計實驗，將透射電鏡與離子加速器相連，首次直接觀察到“核徑跡”在高能離子轟擊下半徑縮小、長度變短的完整過程。

科學家這一首次揭秘在不加熱條件下“核徑跡”受離子轟擊縮小的全過程、將推動巖石年齡測定的最新研究成果論文，近期已在國際地球化學領域學術期刊《地球化學與宇宙化學學報》發表。

論文通訊作者兼第一作者李偉星研究員表示，最新論文成果是典型的學科交叉研究，涉及材料與核工程、地質專業，將對地質學、石油勘探等科學實踐應用中利用鋯石和磷灰石裂變徑跡準確限定巖石年齡、提高熱歷史分析精度具有重要意義。

他介紹說，在地球地質的探索中，科學家通過巖石年齡、溫度等要素，對地球和生命的演化進行分析解讀。而測定上述要素需要更有效精準的工具方法，吸引科學家們數十年來不斷進行探索。

其中，“裂變徑跡定年法”的裂變徑跡是指礦物中微量鈾-238自發裂變后，高速運動的核子在礦物中產生長度大約為20微米的損傷核徑跡。在光學顯微鏡下，可以觀察到經化學蝕刻放大后的裂變徑跡。此外，裂變徑跡還具有“退火”特性，即當地質環境受熱時，損傷恢復，徑跡縮短、密度下降甚至完全消失，據此便可限定巖石形成的時間和溫度歷史，這也是判定巖石年齡及熱史分析的基本假設。

早在2005年，挪威地質學家亨德瑞克斯(Hendriks)等推測，裂變徑跡在鈾-238和釷-232衰變所釋放的高能阿爾法(α)粒子轟擊下，裂變徑跡數量變少或長度變短，這種“非熱”輻照退火引起裂變徑跡測量年齡偏年輕，直接影響裂變徑跡定年在板塊、地形及盆地演化分析中的廣泛應用。

不過，由于該推測一直缺乏實驗證據有效支持，是學界頗具爭議的科學問題。爭議的核心是“熱”退火和“輻照”退火都可能阻礙蝕刻液在裂變徑跡中前進，導致裂變徑跡蝕刻長度縮短，而常規蝕刻方法無法區分這兩種退火。

李偉星指出，為通過實驗解決爭議，中科院團隊利用俄羅斯杜布納聯合核子研究所、哈薩克斯坦核物理研究所快重離子加速器、美國阿貢實驗室原位離子輻照等大型科學裝置，通過連接透射電鏡與離子加速器，首次直接觀察到核徑跡在高能離子轟擊下半徑縮小、長度變短的完整過程。這一創新方法直觀地研究“未蝕刻”徑跡輻照退火效應，原位離子輻照可在不加熱條件下進行，解決了“蝕刻”方法無法區分輻照退火和熱退火的難題。

他說，這項研究通過原位輻照和量化分析發現，α-反沖核的核碰撞導致裂變徑跡破碎、縮小，阻礙蝕刻液前進以及蝕刻徑跡長度縮短。研究還發現，鋯石比磷灰石的α-輻照退火效應更為靈敏，且鋯石中鈾和釷含量一般比磷灰石高，因此裂變徑跡實踐應用中，須考慮鋯石的α-輻照退火效應，磷灰石的退火效應則較弱，或可忽略。(記者 孫自法)

關鍵詞： 核徑跡 受離子